금형내압 측정이란?

[숲의 향기]

1. 금형내압 측정이란 (Cavity Pressure Monitoring) ?

사출성형 과정 중 금형 케비티 내에 형성되는 압력은 성형조건(수지조건, 금형조건, 성형기조건)과 주변성형환경이 모두 반영된 최종 결과로서, 성형품의 충진, 압축, 고화 과정을 자세히 보여줍니다. 따라서 금형 캐비티 내에 압력센서를 설치 사출과정 중 시간에따른 압력 변화를 측정하면 형내압특성그래프를 얻을 수 있는데, 이를 해석하면 성형제품의 품질과의 직접적인 연관 관계를 가장 정확하게 알아 낼 수 있다. 따라서 이러한 기술을 활용 하면 최적성형조건설정, 성형품의품질관리, 금형개발, 불량원인파악 등 정밀제품생산 및 성형기술을 과학적이고 체계적으로 향상 시킬수 있으며 또한 성형품질자동화의 유일한 방법으로 선진국에서는 이미 많이 활용 되고 있는 매우 효과적이고 활용 가치가 높은 첨단사출성형기술 입니다

2. 금형내압 특성 곡선 (Characteristics of Cavity Pressure Profiles)

열 가소성 수지의 사출 과정을 세분화 하면 다음 3가지 단계로 구분 된다. 즉 1) 충진 (Filling), 2) 압축(Packing) 그리고 3) 보압 (Holding)으로 구성 된다. 이러한 사출 과정은 캐비티 압력 특성 곡선으로 명확히 구분 설명 될 수 있다. 다음의 그림은 사출로부터 보압 전환이 이상적으로 이루어 졌을 경우의 형내압특성곡선을 보여 준다.

단계	위치	내용
1.충진 (Filling)	1.사출시작	스크류의 전진 시작으로, 수지의 이동이 일어나고 있으나 아직 수지가 센서에 도달하지 않은 상태.
	2–3. 충진 (Filling,Injection )	수지가 센서에 도달 충진 압력 증가, 충진압력은 수지의 흐름저항에 비례, 캐비티의 단면적에 반비례 하여 상승.
2.압축 (Packing)	3.체적충진 완료 (Volumetrically Filling)	캐비티 내에 대략 95% 이상의수지가 충진 된 상태로, 속도 제어에서 압력 제어로의 이상 전환 점임.(v-p Switch-over to holding pressure)
	3–4.압축 (Packing, Compression)	보압 전환 후 캐비티 내압은 압축 과정에 따라 급 상승 하는 과정
3. 보압/냉각 (Holding / Cooling)	4–5.보압 / 냉각 (Holding / Cooling)	보압 단계에서는 수지의 냉각이 시작되고 이에 따른 캐비티의 수축이 진행된다. 통상 사출 단계의 설정 압력치에 비하여 낮게 설정된 압력으로 이를 보완 하기 위하여 지속적인 캐비티 충진이 이루어 지며 이를 보압 과정이라 한다.
	5. 게이트 고화 (Gate Seal)	캐비티의 수지 투입구인 게이트(Gate)가 고화 되는 점으로, 이 후로 성형기로부터 전달 되던 압력이 더 이상 캐비티에 전달되지않게 되어 보압단계가 끝나는 점으로 볼 수 있다.보압시간 종료, 계량시작 가능
	3 – 6. 수축시작 (Shrinkage)	캐비티 내압이 대기압에 근접할 때까지 하락하며 금형의 온도가 상온에 도달 할 때까지 성형품 수축 이 이루어지는 과정. 6지점에서부터 형개가 가능 하다

 3.제품 품질에 영향을 주는 주요 성형변수

	1) 최대 사출 압력(pressure pick):
	고속사출이 요구되는 박형 제품들은 최대 사출 압력이 이 제품의 품질에 가장 민감한 요소임을 보여 줌. 즉 이에 관련된 조건인 사출 속도 와 보압 전환점의 관리가 결정적인 요소임을 보여준다.
	2) 특성 곡선의 하단 면적 (Cavity pressure Integral):
	긴 성형 시간이 요구되는 제품 벽이 두꺼운 제품들은 특성 곡선의 하단 면적 (Cavity pressure Integral) 이 제품의 품질에 가장 민감한 요소임을 보여 줌 이는 보압의 크기/시간, 수지/금형의 온도가 결정적인 요소임을 보여준다.
	3) 수지,금형 온도:
	수지 또는 금형의 온도 변화는 특성 곡선의 보압 냉각 과정에 있어 압력 상쇠 형태의 변화를 보여 준다. 주로 최대 압력 값의 변화는 거의 없으나 곡선면적의 변화를 가져온다. 치수/수축관리는 수축시작점을 관리 함으로서 제품의 품질을 유지 할 수 있음을 보여 준다.

4. 자동 보압전환(Automatic Switch-Over):

	보압전환 점의 올바른 선택은 양품의 재품을 생산하는데 필수적이다 보압전환이 빠를 경우 보압에 의한 성형이 이루어져 문제가 되고, 늦을 경우 과충진 (Over molding)으로 역시 문제가 된다. 이에 대한 관리는 양품 생산 및 품질 유지에 핵샘 요소임이 분명하다. 보압전환의 방법은 여러가지가 있으나 일반적인 다음과 같이 분류 할 수 있다
	1) 시간에의한 보압전환(Time control) :
	사출 시작 후 설정시간 후에 자동 보압 전환 방식으로, 사출 속도, 압력, 온도 등 환경 변화에 무관하게 작동, 정확도가 가장 낮음.
	2) 스크류위치에의한 보압전환(Stroke control) :
	사출 시 스크류가 특정 위치에 도달하면 자동 보압 전환 가장 일반적으로 사용되고 있는 방식으로 시간제어 방식 보다는 정확하나, 역시 다음과 같은 환경 변화에 대응하지 못한다, 즉 노즐로부터의 수지 샘, 스크류의 역류 방지링 마모에 의한 사출량 변화, 재료 계량양 변화,사용 스크류/실린더 교체에 따른 사출량 변화 등 여러 변화에 자동 대응 하지 못함.
	3) 유압센서에의한 보압전환(Hydr.Sensor control) :
	이 방식은 사출용 유압 실린더에 설치된 압력 센서로부터 읽은 값을 활용 하는 방식이다 이경우, 유압실린더와 사출 스크류간의 압축비에 따라 스크류 전단의 압력은 이 비율 만큼 커지며, 이후 노즐, 스푸르, 런너, 게이트등을 통과 하면서 발생하는 상당한 압력 드롭과 시차 등으로 실질적으로 체적충진시점을 정확히 찾기가 어려우나 상기 거리제어 보다는 정확한 제어가 가능. 최근의 정밀 성형기들에서는 이미 설치되어 있는 유압센서를 활용 본 기능을 사용 할 수 있도록 되어 있는 경우가 많다
	4) 노즐 센서에 의한 보압전환 :
	유압센서에 의한 제어방식보다는 낳은 결과을 얻을 수 있으나 역시 금형과 재품의 형태에따른 압력 차로 정확한 제어에는 거리가있으며, 냉각과정 및 게이트고화과정 등의 자료를 얻을 수 없다.
	5) 캐비티 센서(형내압)에의한 보압전환:
	체적충진과정(Volumatirically fill)이 끝나면 바로 급격한 압력 상승 특성을 보이는 압축( Packing) 단계로 진입 한다. 이때 특성 곡선의 커브 방향이 급격하게 변하는 점을 확인 이에 따른 보압전환 압력 값을 얻을 수 있으며, 이를 제어 값으로 설정 한다. 일단 설정한 압력에 도달하면 자동으로 압력전환이 이루어 짐에 따라, 매 싸이클마다 수지의 점도(온도), 속도, 압력등에 다소 변화가 있을 지라도 항상 일정한 체적충진과정이 이루어지는 시점에서(설정 압력 통과 시) 자동으로 보압 전환이 이루어 짐으로써 외부의 환경 변화에 능동적으로 대응하여 생산 재품의 품질격차를 최소화 할 수 있다.

 

5.센서의 종류 및 선택

형내압측정 용으로 사용되는 센서는 압전방식 압력센서와 스트레인측정식의 Force센서가 사용된다

1) 직접측정 방식		2) 간접측정 방식
- 압전식 압력센서 사용 - 캐비티에 직접 설치 - 캐비티 내의 최적위치 설치가능 - 설치/분해 시 금형 분해 필요 - 신작, 양산 금형		- 압전식 Force센서 사용 - 이젝터 핀밑, 즉 이젝터 고정판에 설치 - 센서 착탈이 용이 - 구동핀의 직경에 따른 핀 길이 계산 사용 - 설치 공간이 협소 할 때 - 기존금형, 금형개발 등에 적용시

6.센서의 설치위치 선정

금형의 케비티 내의 센서 위치는 측정하고자하는 목적에 따라 결정된다.

단  기본적으로 게이트의 정반대 측은 제외한다.

	제어 목적
	가장 긴 시간 동안 정보를 얻을 수 있는 지점, 즉 성형 품의 벽이 가장 두꺼운 부분이나 에 준하는 곳 (게이트 근처)을 택한다
	품질 관리 목적
	수지 가 최종적으로 충진 된는 부위 (웰드라인 이 형성 되는 부위)를 선택 할 수도 있다

출처: 엑세코실업